郝澤亮　鐘國(guó)財(cái)　謝東東　潘庭龍

摘 要：目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的土壤水分傳感器大多以探針式為主，該類(lèi)傳感器只能檢測(cè)土壤表層水分，且探針要與土壤直接接觸，因此會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)。鑒于此，文中以STM32單片機(jī)為核心，基于智能感知、無(wú)線(xiàn)傳輸、電子信息等物聯(lián)技術(shù)，研發(fā)一種新型管式傳感器，可以同時(shí)測(cè)量同一剖面不同深度的土壤參數(shù)，且對(duì)土壤環(huán)境無(wú)破壞，對(duì)于水利、智能灌溉、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，在我國(guó)這樣一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：管式傳感器；土壤水分測(cè)量；邊緣場(chǎng)效；無(wú)線(xiàn)傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212；S951.4+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）03-00-04

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)擁有13億人口的發(fā)展中農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展對(duì)我國(guó)具有十分重要的意義[1]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水的利用率還極其低下，農(nóng)業(yè)用水的浪費(fèi)現(xiàn)象普遍存在。只有大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，保證農(nóng)產(chǎn)品的充足供應(yīng)，才能確保我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”的奮斗目標(biāo)[2]。 水資源在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用，土壤水分含量是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程的重要物理參數(shù)[3]。 在當(dāng)前水污染嚴(yán)重、淡水資源緊缺的情況下，研究和推廣節(jié)水技術(shù)和設(shè)備、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是提高水資源利用率的一條重要途徑[4]。 因此，研究開(kāi)發(fā)土壤墑情傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要[5]。目前，市場(chǎng)上關(guān)于土壤水分的檢測(cè)儀器幾乎都以與土壤直接接觸的探針式傳感器為主。若要實(shí)現(xiàn)土壤剖面的水分測(cè)量，需要沿剖面埋設(shè)探針式傳感器，導(dǎo)致嚴(yán)重破壞土壤結(jié)構(gòu)，難以滿(mǎn)足對(duì)土壤剖面含水率進(jìn)行測(cè)量的需求[6]。 鑒于此，本文設(shè)計(jì)研制了一款管式土壤水分檢測(cè)傳感器，能夠在檢測(cè)水分的同時(shí)檢測(cè)溫度，可以連續(xù)實(shí)時(shí)地對(duì)不同深度的水分和溫度進(jìn)行測(cè)量。

土壤主要由固體顆粒、水分、氣體三部分組成。土壤含水率是表示土壤中水分含量的基本概念，一般用土壤質(zhì)量含水率（θm）和土壤體積含水率（θv）兩種基本方法表示。

頻域分解法是1992年荷蘭學(xué)者Hilhorst提出來(lái)的。該法利用矢量電壓的測(cè)量技術(shù)，通過(guò)施加合適的高低頻率將土壤介電常數(shù)的實(shí)部與虛部分離開(kāi)來(lái)。其中，由介電常數(shù)的虛部可以推導(dǎo)出土壤含水率，常數(shù)的虛部與土壤的電導(dǎo)率有較強(qiáng)的相關(guān)性，由此即可換算出土壤的鹽分含量。單純從測(cè)量土壤水分含量來(lái)看，基于頻域分解法的水分檢測(cè)儀器不管在研究初期還是批量化生產(chǎn)應(yīng)用的過(guò)程都比駐波比法要難，因此只有經(jīng)歷不斷的技術(shù)革新才足以進(jìn)入市場(chǎng)。

1 土壤水分管式傳感器方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的是基于電容邊緣場(chǎng)效應(yīng)的土壤水分管式傳感器，該傳感器工作于埋設(shè)在土壤的PVC管體中，需要與專(zhuān)用的采集設(shè)備配套使用[7]，該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量探頭不與土壤直接接觸，且可以同時(shí)測(cè)量同一剖面不同深度的水分。探頭采用的核心部件是壓控振蕩芯片MC1648。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)通信統(tǒng)一發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，土壤水分管式傳感架構(gòu)框圖如圖1所示。圖中無(wú)線(xiàn)傳輸模塊采用SIM900模塊，通過(guò)GPRS通信協(xié)議與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的是一種新型管式土壤傳感器，PVC套管垂直埋入土壤中，每個(gè)套管中嵌有多個(gè)探頭節(jié)點(diǎn)，測(cè)量深度可通過(guò)增減探頭節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)具體而定。幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。

每個(gè)傳感器探頭節(jié)點(diǎn)都由一對(duì)形狀大小一致且相對(duì)平行的銅環(huán)構(gòu)成。銅環(huán)的外徑為55 mm，內(nèi)徑為53 mm，高度為25 mm，兩個(gè)銅環(huán)之間的間距為10 mm，套管采用PVC材質(zhì)，內(nèi)徑為57 mm，厚度大約3 mm左右，節(jié)點(diǎn)之間的距離設(shè)置為10 cm，即可以同時(shí)測(cè)量同一剖面相隔10 cm的土壤參數(shù)。傳感器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免銅環(huán)晃動(dòng)或與PVC套管產(chǎn)生較大摩擦，套管底部應(yīng)做好密封處理，防止水分滲入損壞傳感器。傳感器埋入土壤后沒(méi)有特殊情況一般不取出。

采用該結(jié)構(gòu)的傳感器探頭不與土壤直接接觸，不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，采集到的數(shù)據(jù)可靠性較好；傳感器采用管式結(jié)構(gòu)，可同時(shí)測(cè)量同一剖面不同深度的土壤水分及溫度，且測(cè)量深度可由具體要求而定。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 傳感器探頭電路設(shè)計(jì)

土壤水分管式傳感器的探頭電路由振蕩電路、整型電路以及分頻電路三部分組成，具體如圖3所示。一對(duì)金屬銅環(huán)充當(dāng)電容連接入電路與電感L組成LC振蕩電路，選擇合適的電感L值使得諧振頻率位于80～150 MHz，經(jīng)過(guò)整形、分頻送往單片機(jī)處理。

（1）振蕩電路

該部分電路使用的是壓控振蕩芯片MC1648，與E1648相比其功能沒(méi)有太大區(qū)別，只是封裝類(lèi)型不同。MC1648是SOP-8貼片封裝，E1648是14引腳直插式的。 MC1648的TANK與BIAS引腳與電感L1、銅環(huán)P1相連構(gòu)成振蕩電路。其中，T1為互感線(xiàn)圈，其作用是濾波抑制干擾，信號(hào)經(jīng)OUT引腳連接一個(gè)電容輸出，振蕩頻率大約為80～150 MHz。土壤濕度發(fā)生改變時(shí)，金屬銅環(huán)構(gòu)成的電容P1有效容值也會(huì)變化，從而引起輸出頻率的變化。

（2）分頻電路

OUT引腳輸出的是諧振電路產(chǎn)生的高頻正弦波信號(hào)，該信號(hào)無(wú)法直接送至STM32單片機(jī)進(jìn)行處理，因此需要進(jìn)行分頻處理。本文的設(shè)計(jì)是對(duì)高頻進(jìn)行兩次分頻，首次分頻采用MC12080芯片，該芯片具有÷10/÷20/÷40/÷80多種分頻級(jí)數(shù)，通過(guò)設(shè)置SW1、SW2和SW3的高低電平來(lái)確定分頻倍率，12080的最大工作頻率高達(dá)1.1 GHz，可以滿(mǎn)足需求。本文將SW1與SW3懸空，置SW2為高電平，將第一級(jí)設(shè)置為40分頻。第一級(jí)分頻電路如圖5所示。

經(jīng)過(guò)第一級(jí)分頻后，振蕩頻率大約為3～4 MHz，需進(jìn)行第二次分頻，此時(shí)使用74HC4040作為二級(jí)分頻芯片，具體如圖6所示。

（3）整形電路

振蕩電路產(chǎn)生的是正弦波信號(hào)，而最后需要測(cè)量的是振蕩信號(hào)的頻率，因此在第一級(jí)分頻電路后加一個(gè)比較器LMV7239M7X，將正弦波信號(hào)整形為同頻率的方波信號(hào)，由1號(hào)引腳 Vout輸出。

3.2 主控器設(shè)計(jì)

（1）單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用的是ST公司基于ARM3設(shè)計(jì)的STM32F103系列單片機(jī)，該單片機(jī)屬于增強(qiáng)型系列，具有多個(gè)串口和豐富的外設(shè)資源，足以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求?；跁r(shí)鐘芯片DS1302Z的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、晶體振蕩電路以及STM32內(nèi)部的時(shí)鐘電路組成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式。根據(jù)硬件連接的不同，分為內(nèi)部時(shí)鐘與外部時(shí)鐘，依照不同的需求選用時(shí)鐘電路。兩個(gè)晶體振蕩電路XT1CLK與XT2CLK構(gòu)成單片機(jī)的外部時(shí)鐘，XT1CLK接32.768 kHz的晶振，與單片機(jī)的OSC32引腳相連接，XT2CLK接8 MHz的石英晶體振蕩器，分別與單片機(jī)的OSC-IN，OSC-OUT引腳連接。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路如圖8所示。

（2）喚醒電路

由于土壤傳感器可能埋設(shè)在距離監(jiān)控中心較遠(yuǎn)的地點(diǎn)，除了后面所要提及的采用特殊供電方式，設(shè)備也應(yīng)盡量減少電能的消耗。由于土壤水分含量是一個(gè)漸變過(guò)程，相鄰兩個(gè)測(cè)量時(shí)間間隔一般比較長(zhǎng)，因此除了測(cè)量時(shí)間，其余空閑時(shí)間應(yīng)使單片機(jī)處于休眠或待機(jī)狀態(tài)。但出于現(xiàn)實(shí)意義考慮，需要外加一個(gè)按鍵，在單片機(jī)的休眠期間按下按鍵能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)測(cè)量，具體電路如圖9所示。

圖9中，1，2號(hào)引腳接指示燈，3，4號(hào)引腳接外部按鍵。若需要即時(shí)測(cè)量則按下按鍵，此時(shí)3，4號(hào)引腳接通，松開(kāi)按鍵后，STM32喚醒，引腳PA0上出現(xiàn)一個(gè)上升沿將單片機(jī)喚醒，STM32開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，同時(shí)單片機(jī)的PA1引腳置予短時(shí)間的高電平。將三極管Q13導(dǎo)通，1，2號(hào)引腳間的指示燈亮起，指示操作完成。

（3）電源監(jiān)測(cè)電路

土壤傳感器須長(zhǎng)時(shí)間安置在農(nóng)田中，距離控制中心較遠(yuǎn)，這就給傳感器的維護(hù)帶來(lái)不便。本設(shè)計(jì)采用光伏蓄電池互補(bǔ)供電模式，為了增強(qiáng)供電的可靠性，需要對(duì)穩(wěn)壓后的太陽(yáng)能光伏電壓以及蓄電池電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

ADS1115是一個(gè)具有16位分辨率的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠以高達(dá)每秒860個(gè)采樣數(shù)據(jù)的速率執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作，ADS115具有一個(gè)多路復(fù)用器，可提供2個(gè)差分輸入或4個(gè)單端輸入。利用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1115對(duì)光伏電壓及蓄電池電壓進(jìn)行單端采集，電路如圖10所示，其中PV+，P-分別是太陽(yáng)能光伏的正負(fù)極，BAT+，B-分別是蓄電池的正負(fù)極。ADS11115的工作范圍是2～5.5 V，為了確保輸入電壓不超過(guò)測(cè)量范圍需預(yù)先做分壓處理。

3.3 電源模塊設(shè)計(jì)

為了不破壞土壤結(jié)構(gòu)，傳感器一經(jīng)安裝完成，應(yīng)盡可能少拆除。因此供電問(wèn)題是首要考慮的問(wèn)題，為了解決遠(yuǎn)距離供電問(wèn)題，采用光伏+儲(chǔ)能蓄電池互補(bǔ)的供電方式，太陽(yáng)能給系統(tǒng)供電的同時(shí)給儲(chǔ)能電池充電，在沒(méi)有光照的時(shí)候儲(chǔ)能電池供電。為了延長(zhǎng)供電時(shí)間，除了方案所提及的采用光伏蓄電池互補(bǔ)供電模式，在傳感器探頭測(cè)量模塊與中心處理器數(shù)據(jù)處理模塊應(yīng)盡量降低功耗，如多探頭輪流供電。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)進(jìn)行供電，其余空閑時(shí)間使該模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)或停止供電，盡量減少電能的消耗。電源模塊整體架構(gòu)如圖11所示。

本文所采用的太陽(yáng)能光伏陣列輸出的是穩(wěn)定的6 V電壓，而傳感器系統(tǒng)大多數(shù)芯片的工作電壓為3.3V，因此需做降壓處理。芯片工作所需的5 V電源由3.3 V升壓得到。

（1）蓄電池充電管理電路

太陽(yáng)能光伏降壓后除了直接給傳感器系統(tǒng)測(cè)量供電，同時(shí)也給儲(chǔ)能蓄電池充電，整體架構(gòu)如圖12所示。主控芯片采用MM3077FNRE，開(kāi)關(guān)器件1和開(kāi)關(guān)器件2均為P溝道MOSFET，太陽(yáng)能光伏與蓄電池共正極，通過(guò)開(kāi)關(guān)器件1和開(kāi)關(guān)器件2來(lái)控制兩者的負(fù)極是否連接在一起，MM3077FNRE通過(guò)采集到的蓄電池電量來(lái)決定引腳DO，CO輸出的高低電平，從而控制開(kāi)關(guān)器件的通斷。當(dāng)蓄電池充電飽和時(shí)，開(kāi)關(guān)器件1斷開(kāi)，蓄電池不再充電。在沒(méi)有光照的條件下，由蓄電池給系統(tǒng)供電。為了防止電池過(guò)放，當(dāng)檢測(cè)到電池電量低于某個(gè)閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)器件2斷開(kāi)，蓄電池停止供電，由此實(shí)現(xiàn)了光伏+蓄電池互補(bǔ)供電。

（2）傳感器探頭供電設(shè)計(jì)

由于遠(yuǎn)距離供電帶來(lái)設(shè)備維護(hù)的困難，降低設(shè)備能耗，延長(zhǎng)工作時(shí)長(zhǎng)就尤為重要，因此除了供電模式的特殊設(shè)計(jì)外，對(duì)傳感器本身的工作模式也應(yīng)做出優(yōu)化。探頭的供電模式設(shè)計(jì)如圖13所示， 5 V電源不直接給傳感器探頭供電，而是通過(guò)開(kāi)關(guān)器件MOSFET控制電源的接通關(guān)斷。使能端EN與單片機(jī)相連，探頭采集數(shù)據(jù)時(shí)，使EN輸出低電平，穩(wěn)壓二極管D1被擊穿，Q1導(dǎo)通，在其余空閑時(shí)間內(nèi)使Q1關(guān)斷，切斷電源。

3.4 抗干擾性和低功耗設(shè)計(jì)

（1）抗干擾設(shè)計(jì)

硬件電路在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)考慮到各種抗干擾措施，特別是本文的高頻信號(hào)電路。因此，從元器件布局到焊接，均應(yīng)遵守電磁場(chǎng)兼容理論。本文針對(duì)抗干擾采取了以下措施：在每個(gè)芯片的VCC引腳均接有去耦電容，提高對(duì)低頻噪聲信號(hào)的抑制能力；PCB板上的線(xiàn)粗細(xì)合適，距離盡量短，布局緊湊，盡量降低信號(hào)傳輸過(guò)程中的損耗，空白處大面積敷銅；模擬電路部分與數(shù)字電路部分盡量分開(kāi)，數(shù)字地與模擬地通過(guò)電感連接。

（2）低功耗設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的土壤水分傳感器主要應(yīng)用于農(nóng)田，供電方式采用太陽(yáng)能光伏+儲(chǔ)能蓄電池互補(bǔ)供電模式，為解決低功耗問(wèn)題，特采取以下幾項(xiàng)措施：除測(cè)量時(shí)間外，在其余時(shí)間傳感器探頭停止供電，微處理器與其他芯片處于休眠或關(guān)閉狀態(tài)，從而大大降低能量損耗。

在選擇電路器件時(shí)，盡量采用低功耗設(shè)計(jì)的芯片，如芯片不采用直插封裝而選擇功耗相對(duì)較低的貼片封裝等。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文旨在研究一種非接觸式土壤水分傳感器，該傳感器主要應(yīng)用于農(nóng)田水分測(cè)量系統(tǒng)，主要由水分傳感器探頭、主板控制器、PVC套管等組成。其主要特色在于：（1）采用管式測(cè)量方法，克服了傳統(tǒng)針式傳感器只能測(cè)量表層水分的缺點(diǎn)。本項(xiàng)目的土壤水分傳感器為管式傳感器，相對(duì)于傳統(tǒng)的針式探頭結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)勢(shì)。從設(shè)備的使用壽命上來(lái)說(shuō)，管式傳感器外面是PVC套筒，不易腐蝕；從測(cè)量的準(zhǔn)確性上來(lái)說(shuō)，針式傳感器在測(cè)量特定深度土壤的水分時(shí)需要把土壤挖開(kāi)，把傳感器埋在特定的點(diǎn)，這樣不能保證挖開(kāi)之后的土壤水分含量與挖開(kāi)之前相同。而管式傳感器只需要把套管插入土中，就能一次性測(cè)得同一個(gè)剖面不同深度的土壤水分含量，并且不影響土壤水分自由交換；從對(duì)土壤的保護(hù)方面來(lái)說(shuō)，使用管式傳感器不涉及挖開(kāi)土壤，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤最大程度的保護(hù)。（2）光儲(chǔ)互補(bǔ)供電方式適合傳感器長(zhǎng)期野外作業(yè)，某些傳感器所安裝的農(nóng)田位置距離遠(yuǎn)程控制中心較遠(yuǎn)，且已安裝完成的設(shè)備不適宜經(jīng)常性地拔出更換蓄電池，否則會(huì)對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境造成擾動(dòng)。本項(xiàng)目采取的光伏蓄電池互補(bǔ)供電模式能夠盡可能降低傳感器功耗，為其長(zhǎng)時(shí)間野外作業(yè)提供條件，提高了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性及持續(xù)性。（3）采用GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。所謂精確農(nóng)業(yè)是指由信息技術(shù)支持，根據(jù)空間變異定位、定時(shí)、定量實(shí)施的一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理系統(tǒng)。信息傳輸無(wú)疑是這一系統(tǒng)重要的組成部分，將采集到的土壤參數(shù)及時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，供決策人員查看，為作物的最佳灌溉時(shí)機(jī)和灌溉量的選擇提供參考，實(shí)現(xiàn)智能精確灌溉控制，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

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